10月26日，中國農業(yè)科學院作物科學研究所聯(lián)合多家單位定位了調控大豆株高的關鍵基因PH13，揭示了其優(yōu)異單倍型在高緯度地區(qū)品種選育中的重要作用及分子機制，明確了PH13及其同源基因在改良大豆株高和耐蔭性方面的重要應用價值。該研究為提高大豆耐蔭性和產量提供了理論基礎和基因資源。相關研究成果在線發(fā)表于《自然·通訊（ Nature Communications ）》上。

 

　　大豆是我國重要的糧飼兼用作物。隨著人們生活水平的提高，我國對大豆的需求量逐年攀升，供需矛盾日益突出，提高大豆產能已成為保障國家糧食安全的迫切需求。大豆是典型的光環(huán)境敏感型作物，密植和間套作會引起大豆明顯的莖桿徒長避蔭反應，尤其是在高緯度地區(qū)疊加長日照誘導的莖桿伸長效應，更容易引發(fā)倒伏和減產。因此，挖掘株高相關的耐蔭基因對于培育耐密植高產大豆新品種具有重要意義。

 

　　該研究定位了一個位于13號染色體上調控大豆株高的主效基因PH13，并證實了PH13是大豆主莖伸長促進因子。研究發(fā)現(xiàn)，PH13基因通過參與降解STF1/2轉錄因子，從而促進莖桿伸長。該基因在自然群體中存在三種主要的單倍型，其中PH13H3單倍型編碼的部分功能缺失的PH13蛋白互作減弱，導致下游轉錄因子STF1/2蛋白積累從而降低大豆株高。進一步研究發(fā)現(xiàn)PH13H3單倍型所占比例由地方品種的1.4%上升至栽培品種的32.7%；由于該單倍型降低株高的遺傳效應，在高緯度地區(qū)品種改良過程中被育種家廣泛利用。

 

　　以中低緯度地區(qū)品種TL1為親本，利用基因編輯技術對PH13及其直系同源基因PHP進行敲除，創(chuàng)建了突變體株系。田間測試表明該突變體株高對光周期和遮蔭變化不敏感，在各種植密度下株高均保持恒定且無倒伏出現(xiàn)。在吉林長春地區(qū)密植條件下，與TL1親本和當地品種相比，該突變體株系產量顯著提高；此外在哈爾濱地區(qū)玉米-大豆條帶復合種植條件下，該突變體株系展現(xiàn)了極強的抗倒伏性，且其產量與當地高產抗倒伏品種龍墾317、農墾18-842持平，從而為南豆北移提供了新途徑。

 

　　綜上所述，該研究不僅解析了PH13調控大豆株高適應高緯度的分子機制，且創(chuàng)制了具有顯著耐蔭和增產潛力的突變體，為培育適合高緯度地區(qū)密植的高產新品種提供了重要新基因和新材料。

 

　　作科所博士后秦超、研究員李英慧和博士后李德林為該論文的共同第一作者，劉斌研究員、邱麗娟研究員和廣州大學的孔凡江教授為通訊作者。廣州大學、美國普渡大學等多家單位參與合作研究。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國農業(yè)科學院農業(yè)科學技術創(chuàng)新項目、中央公益性科研機構基本研究基金和中國博士后科學基金的資助。

 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42608-5